《光伏材料和工藝技術(shù)》課程教學研究初探

盧海 劉霄 王金磊

摘要：光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對高水平專業(yè)人才提出了迫切需求。本文針對《光伏材料和工藝技術(shù)》這門專業(yè)基礎(chǔ)課，從課程特點、教學內(nèi)容和教學過程實施等方面進行了一定的研究和探討，以更好地組織開展該課程的教學活動，提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)具有較高綜合素質(zhì)的應用型本科人才。

關(guān)鍵詞：光伏材料和工藝技術(shù)；太陽電池；教學研究；新能源

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）36-0173-02

隨著全球資源的日益短缺和生態(tài)環(huán)境的日益惡化，大力發(fā)展綠色、低碳、環(huán)保的可再生能源技術(shù)已引起世界范圍的廣泛研究與重視。在技術(shù)的不斷進步和政策的持續(xù)驅(qū)動下，光伏產(chǎn)業(yè)自上世紀末開始進入了快速發(fā)展軌道。我國光伏產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展勢頭迅猛，2016年的光伏發(fā)電新增和累計裝機容量均已達到全球第一，成為最大的太陽能發(fā)電基地。最近，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》近200個締約方在巴黎氣候變化大會上達成了《巴黎協(xié)定》，更是有望進一步推動全球光伏產(chǎn)能的擴張。光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使得企業(yè)對高水平專業(yè)人才的需求越來越迫切。然而當前高校的光伏人才培養(yǎng)規(guī)模并不大（多數(shù)集中于高職類院校[1]），產(chǎn)業(yè)人才需求缺口明顯。對于課程設(shè)計也缺乏工藝教學與實踐參與環(huán)節(jié)[2]，使得畢業(yè)生的綜合素質(zhì)能力不能完全滿足行企需要，形成較為突出的產(chǎn)教矛盾。

西安科技大學材料科學與工程學院自2013年起在無機非金屬材料與工程專業(yè)下開設(shè)新能源材料與器件專業(yè)方向，每年會從年級中選調(diào)出一部分學生，作為該新專業(yè)的試點對象，重點培養(yǎng)太陽電池與鋰二次電池領(lǐng)域的高素質(zhì)應用型人才。學院已形成了較為完善的人才培養(yǎng)方案，其中專門設(shè)置了《光伏材料和工藝技術(shù)》這一特色基礎(chǔ)課程作為專業(yè)試點中的一個重要教學環(huán)節(jié)。本文基于幾年的授課經(jīng)驗，對該課程的性質(zhì)特點、教學內(nèi)容與方法等進行一定的研究和探討。

一、課程特點

該課程是針對無機非金屬材料與工程專業(yè)大四學生的必修課程，為考查性質(zhì)課程。課程對于理論與實踐的結(jié)合比較緊密，不僅理論性很強，而且工藝實踐知識也介紹得比較詳細，這是其最為顯著的一個特點。課程開設(shè)的目的，是讓學生能夠系統(tǒng)接觸光伏材料及太陽電池制造的相關(guān)理論與工藝知識，使學生對光伏發(fā)電的基本原理以及光伏材料特性與制備技術(shù)等有一個較全面的認識，了解太陽電池當前技術(shù)現(xiàn)狀，把握該領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢。該課程的先修課程為大學物理、材料科學基礎(chǔ)、無機材料物理性能等。

二、教學內(nèi)容

根據(jù)課程設(shè)計，前部分主要側(cè)重對基本原理與概念的講解，后面則詳細講述以直拉單晶硅與鑄造多晶硅為代表的光伏材料相關(guān)性質(zhì)與制作工藝[3]。

1.太陽能及其利用概述。講解開發(fā)利用太陽能的意義，太陽能的成因，太陽能輻射和吸收的基本規(guī)律，太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)缺點，太陽能光電材料的研究與應用歷史。

2.太陽能光電轉(zhuǎn)換物理基礎(chǔ)。講解半導體與太陽能光電材料的性質(zhì)，半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)，雜質(zhì)能級和缺陷能級的形成，熱平衡和非平衡條件下載流子的行為，P-N結(jié)的成因、能帶結(jié)構(gòu)與伏安特性，金屬-半導體接觸與MIS結(jié)構(gòu)，光伏效應基本原理，等效電路圖，光電轉(zhuǎn)換效率的計算及其影響因素。

3.太陽能電池結(jié)構(gòu)與制備。講解太陽能電池的分類方法及其研究開發(fā)進程，晶體硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)與制作工藝（包括絨面、p-n結(jié)、鋁背場、金屬電極、減反射層等的設(shè)計思路、結(jié)構(gòu)要求與制造方法）；介紹幾種薄膜太陽電池的典型結(jié)構(gòu)與制作方法。

4.單晶硅材料及其雜質(zhì)與缺陷。講解硅材料的基本性質(zhì)與分類，高純多晶硅的制備原理與方法，區(qū)熔單晶硅與直拉單晶硅的生產(chǎn)原理與制備工藝，單晶硅摻雜技術(shù)，硅晶片基本加工過程；直拉單晶硅中氧、碳、金屬雜質(zhì)的成因、特點、影響因素與控制方法；位錯的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對太陽電池的影響。

5.鑄造多晶硅及其雜質(zhì)與缺陷。講解鑄造多晶硅的定義、特點與發(fā)展現(xiàn)狀，制備工藝與晶體生長規(guī)律，氧、碳、氮、氫、金屬等雜質(zhì)的成因、特點、作用、熱處理性質(zhì)及控制措施，晶界與位錯的形成、吸雜作用及對硅器件的影響。

6.薄膜太陽電池。講解各類薄膜太陽電池的性能優(yōu)缺點、材料制備方法、技術(shù)發(fā)展方向，包括非晶硅薄膜、多晶硅薄膜、GaAs、CdTe和CdS、CuInSe2和CuInxGa1-xSe2等。

上述整個教學內(nèi)容的重點放在了第2部分和第4部分，課程章節(jié)順序可以根據(jù)需要適當進行調(diào)整。

三、教學實施

該課程采用多媒體與板書相結(jié)合的教學手段，以課堂講授為主，輔以隨堂測驗、主題演講和參觀學習環(huán)節(jié)，注重啟發(fā)式教學方法。

1.課堂講授。根據(jù)大綱要求和教材內(nèi)容，課前獨立制作PPT課件，力圖做到圖文并茂，必要時加入一些視頻元素。相關(guān)內(nèi)容不局限于書本知識，有一定的拓展性。例如在講“開發(fā)利用太陽能的意義”時，會從能源短缺、環(huán)境污染、電網(wǎng)局限三個方面，介紹當前國內(nèi)國外形勢與現(xiàn)狀，讓學生深刻體會該課程學習的重要性，這不僅充實了教學內(nèi)容，而且有助于調(diào)動學生學習的主動性。對于較難理解的基礎(chǔ)理論知識，講解過程盡量深入淺出，放慢節(jié)奏，幫助學生牢固掌握。而對于材料制備工藝，輔以實際具體的案例和相關(guān)圖片，讓學生獲得更加形象的認識。教學過程注重與學生的交流與互動，激發(fā)學習興趣，穿插一些啟發(fā)式教學[4]，引導學生積極思考，從而達到良好的教學效果。

2.隨堂測驗?！疤柲芄怆娹D(zhuǎn)換物理基礎(chǔ)”這一章節(jié)涉及較多的數(shù)學公式（如費米能級、載流子濃度等）。為了讓學生增強對此部分內(nèi)容的理解，提高公式靈活運用的能力，首先從課程計劃中專門安排時間講解典型的計算習題，然后進行一次隨堂測驗，布置幾道有代表性的題目，讓學生獨立自主解答。教師課后閱卷，檢查學生學習效果，對學生普遍遇到的答題困擾，再在課堂上做一次講解，幫助學生加深理解、強化掌握。

3.主題演講。將班上學生分成若干小組，每個小組隨機分配一個專題任務(wù)（如太陽電池用多晶硅材料技術(shù)與應用現(xiàn)狀），讓學生課后分工查閱文獻資料，共同完成PPT演講稿的制作。然后各組學生中抽派代表上臺為班上其他同學做主題演講，報告之后大家一起交流討論。這一教學形式不僅鞏固了學生的專業(yè)知識，而且對于學生綜合能力的提升有很好的幫助。

4.參觀學習。為了加強實踐教學，同時進一步開拓學生視野，專門組織學生參觀學院新能源實驗室建設(shè)的太陽能實驗教學平臺，讓學生對于太陽能發(fā)電裝置的工作原理、構(gòu)造與方法，太陽電池組件的性能測試、數(shù)據(jù)記錄與分析等有一個更加直觀的認識了解，課堂上學到的理論知識與實踐應用形成一定的結(jié)合。

5.課程考核。課程采用總評成績=平時（20%）+實踐（20%）+筆試（60%）的形式對學生進行考核。其中平時成績包括出勤情況與課堂表現(xiàn)（包括回答問題、互動討論等），實踐成績一是基于隨堂測驗結(jié)果，二是看學生在主題演講、參觀學習等環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)。筆試成績則采取考試答題形式，通過填空、判斷、選擇、簡答、論述等題型，考察學生對課程各知識點的掌握情況。

四、結(jié)語

《光伏材料和工藝技術(shù)》作為新能源專業(yè)試點中的一門重要課程，為學生認識新能源、了解新能源材料打開了一扇窗，奠定了一定的知識儲備，同時對于學生未來可能投身于光伏行業(yè)，具有一定的引領(lǐng)作用與實踐指導意義。該課程應以科學的教學大綱為依據(jù)，在教學內(nèi)容上與時俱進[5]，在教學手段和方法上繼續(xù)積極探索，這樣才能更好地為新能源專業(yè)發(fā)展和應用型人才培養(yǎng)服務(wù)。

參考文獻：

[1]溫永春，王旭，顧大國，等.太陽能電池原理與工藝課程在材料專業(yè)中的教學研究[J].教育現(xiàn)代化，2016，5（22）：125-126.

[2]歐惠.《太陽電池材料》應用型課程教學改革研究[J].新余學院學報，2016，21（3）：145-148.

[3]楊德仁.太陽電池材料[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[4]常夢潔，劉俊.參與式教學在《材料導論》課程中的應用探索[J].廣州化工，2017，45（17）：157-158.

[5]任艷蓉，劉保英，王延鵬，等.《材料科學基礎(chǔ)》課程教學的實踐與探索[J].廣州化工，2016，44（19）：170-171.